25/07/31Selvom CMOS-sensorer dominerer både videnskabelig og forbrugerbilleddannelse i 2025, har dette ikke altid været tilfældet.
CCD står for 'Charge-Coupled Device', og CCD-sensorer var de originale digitale kamerasensorer, der først blev udviklet i 1970. CCD- og EMCCD-baserede kameraer blev almindeligt anbefalet til videnskabelige anvendelser indtil for blot få år siden. Begge teknologier overlever stadig i dag, selvom deres anvendelser er blevet nicheprægede.
Forbedrings- og udviklingshastigheden for CMOS-sensorer fortsætter med at stige. Forskellen mellem disse teknologier ligger primært i den måde, de behandler og aflæser detekteret elektronisk ladning på.
Hvad er en CCD-sensor?
En CCD-sensor er en type billedsensor, der bruges til at opfange lys og konvertere det til digitale signaler. Den består af en række lysfølsomme pixels, der indsamler fotoner og omdanner dem til elektriske ladninger.
CCD-sensoraflæsningen adskiller sig fra CMOS på tre væsentlige måder:
● Overførsel af ladningOpfangede fotoelektroner flyttes elektrostatisk pixel til pixel på tværs af sensoren til et aflæsningsområde i bunden.
● AflæsningsmekanismeI stedet for en hel række analog-til-digital-konvertere (ADC'er), der opererer parallelt, bruger CCD'er blot en eller to ADC'er (eller nogle gange flere), der læser pixels sekventielt.
Placering af kondensator og forstærker: I stedet for kondensatorer og forstærkere i hver pixel har hver ADC én kondensator og forstærker.
Hvordan fungerer en CCD-sensor?
Sådan fungerer en CCD-sensor til at optage og behandle et billede:
Figur: Udlæsningsproces for en CCD-sensor
Ved afslutningen af deres eksponering flytter CCD-sensorer først de indsamlede ladninger til et maskeret lagerområde inden for hver pixel (ikke vist). Derefter flyttes ladningerne, én række ad gangen, til et udlæsningsregister. Ladningerne i udlæsningsregisteret udlæses én kolonne ad gangen.
1. Clearing af opkrævningFor at starte optagelsen fjernes ladningen samtidig fra hele sensoren (global lukker).
2. OpladningsakkumuleringLadning akkumuleres under eksponering.
3. Opbevaring af opladningVed afslutningen af eksponeringen flyttes de indsamlede ladninger til et maskeret område inden for hver pixel (kaldet interline transfer CCD), hvor de kan afvente aflæsning uden at nye detekterede fotoner tælles.
4. Eksponering af næste billedeNår de detekterede ladninger er gemt i det maskerede område af pixels, kan det aktive område af pixels begynde eksponeringen af det næste billede (overlapningstilstand).
5. Sekventiel aflæsningÉn række ad gangen flyttes ladninger fra hver række i den færdige ramme til et 'udlæsningsregister'.
6. Endelig aflæsningÉn kolonne ad gangen sendes ladninger fra hver pixel ind i udlæsningsnoden til aflæsning ved ADC'en.
7. GentagelseDenne proces gentages, indtil de detekterede ladninger i alle pixels er talt.
Denne flaskehals, der forårsages af, at alle detekterede ladninger aflæses af et lille antal (nogle gange ét) aflæsningspunkter, fører til alvorlige begrænsninger i datagennemstrømningen for CCD-sensorer sammenlignet med CMOS.
Fordele og ulemper ved CCD-sensorer
| Fordele | Ulemper |
| Lav mørkestrøm Typisk ~0,001 e⁻/p/s ved afkøling. | Begrænset hastighed Typisk gennemløbshastighed ~20 MP/s — meget langsommere end CMOS. |
| On-Pixel Binning-afgifter summeres før aflæsning, hvilket reducerer støj. | Høj læsestøj på 5-10 e⁻ er almindelig på grund af enkeltpunkts ADC-aflæsning. |
| Global lukker Ægte global eller næsten global lukker i interline/frame-transfer CCD'er. | Større pixelstørrelser kan ikke matche den miniaturisering, CMOS tilbyder. |
| Høj billeduniformitet Fremragende til kvantitativ billeddannelse. | Højt strømforbrug Kræver mere strøm til ladningsskift og aflæsning. |
Fordele ved CCD-sensor
● Lav mørk strømCCD-sensorer er i sagens natur teknologiske og har en meget lav mørkestrøm, typisk i størrelsesordenen 0,001 e-/p/s, når de afkøles.
● 'On-pixel' binningVed binning tilføjer CCD'er ladninger før udlæsning, ikke efter, hvilket betyder, at der ikke introduceres yderligere læsestøj. Mørkestrømmen øges, men som nævnt ovenfor er denne normalt meget lav.
● Global lukker'Interline' CCD-sensorer fungerer med en ægte global lukker. 'Frame Transfer' CCD-sensorer bruger en 'halv global' lukker (se 'Masked'-området i figur 45) – billedoverførselsprocessen for at starte og afslutte eksponeringen er ikke fuldstændig samtidig, men tager typisk omkring 1-10 mikrosekunder. Nogle CCD'er bruger mekanisk lukker.
Ulemper ved CCD-sensorer
● Begrænset hastighedTypisk datagennemstrømning i pixels pr. sekund kan være omkring 20 megapixels pr. sekund (MP/s), hvilket svarer til et 4 MP-billede ved 5 fps. Dette er omkring 20 gange langsommere end tilsvarende CMOS og mindst 100 gange langsommere end højhastigheds-CMOS.
● Høj læsestøjLæsestøjen i CCD'er er høj, hovedsageligt på grund af behovet for at køre ADC'en(e) med en høj hastighed for at opnå en brugbar kamerahastighed. 5 til 10 e- er almindeligt for avancerede CCD-kameraer.
● Større pixelsFor mange anvendelser giver mindre pixels fordele. Typisk CMOS-arkitektur tillader mindre minimumspixelstørrelser end CCD.
● Højt strømforbrugStrømkravene til at køre CCD-sensorer er meget højere end CMOS.
Anvendelser af CCD-sensorer i videnskabelig billeddannelse
Selvom CMOS-teknologi har vundet popularitet, foretrækkes CCD-sensorer stadig i visse videnskabelige billeddannelsesapplikationer, hvor billedkvalitet, følsomhed og ensartethed er altafgørende. Deres overlegne evne til at opfange signaler i svagt lys med minimal støj gør dem ideelle til præcisionsapplikationer.
Astronomi
CCD-sensorer er afgørende i astronomisk billeddannelse på grund af deres evne til at indfange svagt lys fra fjerne stjerner og galakser. De bruges i vid udstrækning i både observatorier og avanceret amatørastronomi til astrofotografering med lang eksponering og leverer klare og detaljerede billeder.
Mikroskopi og biovidenskab
Inden for biovidenskab bruges CCD-sensorer til at opfange svage fluorescenssignaler eller subtile cellulære strukturer. Deres høje følsomhed og ensartethed gør dem perfekte til anvendelser som fluorescensmikroskopi, billeddannelse af levende celler og digital patologi. Deres lineære lysrespons sikrer nøjagtig kvantitativ analyse.
Halvlederinspektion
CCD-sensorer er afgørende i halvlederproduktion, især til waferinspektion. Deres høje opløsning og ensartede billedkvalitet er afgørende for at identificere mikroskaledefekter i chips og dermed sikre den præcision, der kræves i halvlederproduktion.
Røntgen og videnskabelig billeddannelse
CCD-sensorer anvendes også i røntgendetektionssystemer og andre specialiserede billeddannelsesapplikationer. Deres evne til at opretholde et højt signal-støj-forhold, især når de afkøles, er afgørende for klar billeddannelse under udfordrende forhold såsom krystallografi, materialeanalyse og ikke-destruktiv testning.
Er CCD-sensorer stadig relevante i dag?
Tucsen H-694 & 674 CCD-kamera
Trods den hurtige udvikling af CMOS-teknologi er CCD-sensorer langt fra forældede. De er fortsat et foretrukket valg til ultra-lavt lys og højpræcisionsbilleddannelsesopgaver, hvor deres uovertrufne billedkvalitet og støjegenskaber er afgørende. Inden for områder som astronomi i det dybe rum eller avanceret fluorescensmikroskopi overgår CCD-kameraer ofte mange CMOS-alternativer.
At forstå styrkerne og svaghederne ved CCD-sensorer hjælper forskere og ingeniører med at vælge den rigtige teknologi til deres specifikke behov og dermed sikre optimal ydeevne i deres videnskabelige eller industrielle anvendelser.
Ofte stillede spørgsmål
Hvornår skal jeg vælge en CCD-sensor?
CCD-sensorer er meget sjældnere i dag end for ti år siden, da CMOS-teknologi begynder at gå ud over selv deres ydeevne ved lav mørkestrøm. Der vil dog altid være applikationer, hvor deres kombination af ydeevneegenskaber - såsom overlegen billedkvalitet, lav støj og høj følsomhed - giver en fordel.
Hvorfor bruger videnskabelige kameraer afkølede CCD-sensorer?
Køling reducerer termisk støj under billedoptagelse, hvilket forbedrer billedklarhed og -følsomhed. Dette er især vigtigt for videnskabelig billeddannelse i svagt lys og med lang eksponering, hvilket er grunden til, at mange avanceredevidenskabelige kameraerStol på afkølede CCD'er for renere og mere præcise resultater.
Hvad er overlapningstilstand i CCD- og EMCCD-sensorer, og hvordan forbedrer det kameraets ydeevne?
CCD- og EMCCD-sensorer er typisk i stand til at bruge 'overlapningstilstand'. For global shutter-kameraer refererer dette til evnen til at aflæse det forrige billede under eksponeringen af det næste billede. Dette fører til en høj (næsten 100%) duty cycle, hvilket betyder, at minimal tid spildes på ikke at udsætte billeder for lys, og dermed højere billedhastigheder.
Bemærk: Overlapningstilstand har en anden betydning for rullende lukkersensorer.
Hvis du vil vide mere om rulleporte, kan du klikke på:
Sådan fungerer rullende lukkerkontroltilstand, og hvordan man bruger den
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rettigheder forbeholdes. Angiv venligst kilden ved henvisning:www.tucsen.com
